低渗煤储层瓦斯启动压力梯度和渗透率的现场测试方法与流程

本发明涉及启动压力梯度和渗透率测试领域，尤其涉及一种基于现场的低渗煤储层瓦斯启动压力梯度和渗透率的测试方法。

背景技术：

启动压力梯度的概念自提出至今已有60多年，它表示流体在储层中流动时，流体的压力梯度必须大于某一临界值，流动才会发生，这一临界值就是启动压力梯度。后来学者研究发现瓦斯在低渗煤储层中的流动也存在着临界值，这一临界值就是煤储层瓦斯启动压力梯度。我国绝大部分煤储层具有“高储低渗”的特点，这严重制约我国煤矿井下瓦斯抽采和煤层气工业的快速发展。启动压力梯度决定了瓦斯在煤储层中的流态，影响着钻孔周围瓦斯扩散和非线性渗流的区域，它的测定对指导钻孔瓦斯抽采有着重要的意义。渗透率是判断储层渗透性的重要参数，获得准确、可靠的渗透率是进行工程实践活动的前提条件。

之前有不少学者对启动压力梯度进行了测试，而且已经建立了比较成熟的实验室测试方法。实验室测试启动压力梯度一般是先制作煤样，将煤样置于启动压力梯度测试装置中进行测试，然后将测试数据用数学方法进行处理、计算，最终得到启动压力梯度。实验室测试启动压力梯度的特点是：①实验变量易控、密封性好、精细化程度高；②实验煤样大多为干燥原煤，忽略了水分的影响，且不能直接测试软煤；③实验室条件下的围压、煤体均质性、含水率等与现场有差别；④忽略了现场采动影响。所以实验室测试启动压力梯度方法有其局限性，得到的渗透率往往也不能准确反映现场实际情况。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明提供了一种基于现场的低渗煤储层瓦斯启动压力梯度和渗透率的测试方法，其特征具体的包括以下步骤：

本发明为解决上述问题所采取的技术方案是，提供了一种低渗煤储层瓦斯启动压力梯度和渗透率的现场测试方法，具体的包括以下步骤：

第一步：在煤矿井下低渗煤储层选择有代表性的空白区域，所述空白区域是指没有遭到开采破坏的完整低渗煤储层，其周围10米范围内无其他钻孔干扰，在该空白区域内施工一个穿层钻孔作为测压钻孔，将该测压钻孔记为C₁，测压钻孔C₁内封入与测压钻孔C₁深度等长度的四分铝塑管，位于测压钻孔C₁内的四分铝塑管一端管壁上沿周向设有多个透气孔，采用煤矿常用的两堵一注全岩段封孔的封孔工艺对测压钻孔C₁进行封孔，四分铝塑管的另一端在测压钻孔C₁外预留30厘米～50厘米，并在四分铝塑管的末端安装阀门和压力表，并观测压力表的读数，一段时间以后压力表的读数趋于稳定，记录其数据，该数据即为测压钻孔C₁周围的低渗煤储层瓦斯压力。

第二步：待测压钻孔C₁的压力表读数稳定以后，在与测压钻孔C₁之间的距离为L处施工一个与测压钻孔C₁平行的瓦斯抽采钻孔，将瓦斯抽采钻孔记为C₂，瓦斯抽采钻孔C₂内与瓦斯抽采钻孔C₂深度等长度的瓦斯抽采管，位于瓦斯抽采钻孔C₂内的瓦斯抽采管一端管壁上沿周向设有多个透气孔，采用煤矿常用的两堵一注全岩段封孔的封孔工艺对瓦斯抽采钻孔C₂进行封孔，瓦斯抽采管的另一端与瓦斯抽采泵站相连通，瓦斯抽采管与瓦斯抽采泵站之间设有流量计；用煤矿常用的两堵一注的封孔工艺对瓦斯抽采钻孔C₂进行封孔，并采用负压抽采的方式对瓦斯抽采钻孔C₂进行瓦斯抽采，实时观测记录瓦斯抽采钻孔C₂的瓦斯流量读数、抽采负压读数及相同时刻测压钻孔C₁的压力表的读数变化。

第三步：根据气体渗流方程：

可知，存在启动压力梯度时的气体渗流方程为：

则启动压力梯度的计算公式为：

随着瓦斯抽采钻孔C₂不断的抽采瓦斯，测压钻孔C₁的压力表读数会不断的减小，通过测量得到一系列v与p₁²-p₂²的值，然后线性回归二者之间关系，求出常数a和b，代入式③就可得到低渗煤储层瓦斯启动压力梯度λ的值。

其中p₀为标准大气压力，通常p₀取101325Pa；p₁为进口压力，即测压钻孔C₁处煤储层瓦斯压力，此处为测压钻孔C₁压力表读数，Pa；p₂为出口压力，即标准大气压与瓦斯抽采钻孔C₂的抽采负压的差值，Pa；v为瓦斯抽采钻孔C₂煤壁面上的瓦斯流速，m/s；L为瓦斯气体流经长度，此处为测压钻孔C₁和瓦斯抽采钻孔C₂之间的距离；μ为瓦斯气体动力粘度，通常取1.107×10^-5Pa·s；k为煤储层渗透率，m²。

其中上述公式及符号中的上标或下标仅仅作为上标或下标区别，并不代表其它实际的意义；

第四步：根据式①和式②，得到基于启动压力梯度下的煤储层渗透率k的计算公式为：

将第三步中计算得出的b值代入式④即可得到基于启动压力梯度的低渗煤储层渗透率k的值。

所述测压钻孔C₁的孔径为94毫米，所述瓦斯抽采钻孔C₂的孔径为94毫米，所述测压钻孔C₁与瓦斯抽采钻孔C₂之间的距离L为6米。

所述进口压力p₁和流速v均为变量，在不同的时间点进口压力p₁值和流速v值均不相同，将各个时间节点的进口压力p₁值和流速v值带入式④分别求得对应的煤储层渗透率k值，并计算求出煤储层渗透率的平均值

将计算得出的平均值作为整个矿井低渗煤层的煤储层渗透率的参考值。

所述压力表的量程为0～1.6MPa。

所述第二步中待瓦斯抽采钻孔C₂打钻施工完毕后，先对瓦斯抽采钻孔C₂进行水力冲孔，待水力冲孔完成后再对瓦斯抽采钻孔C₂进行瓦斯抽采。

所述水力冲孔出煤量为根据瓦斯抽采钻孔C₂见煤段的长度不低于1t/m。

本发明的有益效果在于：

(1)该发明的测试方法无需加工煤样，试验测试煤体的粒径、含水率、均质性、围压等均为真实状态下煤储层的特征，且试验对象可以直接是软煤层；

(2)将进、出口之间的煤体作为一个整体来测试，测试结果实际上反映的是受钻孔钻进采动影响下的煤储层瓦斯启动压力梯度。

(3)在获取启动压力梯度的基础上，得到了基于启动压力梯度的煤储层渗透率计算公式④，这对今后准确评价低渗煤储层的渗透性有重要的理论意义。

(4)通过该方法获得的启动压力梯度λ和煤储层渗透率k更加符合现场情况，这对于指导煤矿井下瓦斯抽采具有重要的工程意义。

(5)该方法的测试过程是经过长期现场观测计算得出的煤储层渗透率的平均值更加的精确，能够作为整个矿井低渗煤层的煤储层渗透率的参考值，同时该方法提供了一种理论准确、方法可行的测试低渗煤储层瓦斯启动压力梯度和渗透率的新思路。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明实例一现场测试数据的拟合曲线；

图3是本发明实例二现场测试数据的拟合曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。

实施例一：

如图1所示，本发明提供了一种低渗煤储层瓦斯启动压力梯度和渗透率的现场测试方法，具体的包括以下步骤：

第一步：在煤矿井下低渗煤储层1选择有代表性的空白区域，所述空白区域是指没有遭到开采破坏的完整低渗煤储层1，其周围10米范围内无其他钻孔干扰，在该空白区域内穿过煤层底板2施工一个穿层钻孔作为测压钻孔，将该测压钻孔记为C₁，测压钻孔C₁的孔径为94毫米，测压钻孔C₁内封入与测压钻孔C₁深度等长度的四分铝塑管3，位于测压钻孔C₁内的四分铝塑管3一端管壁上沿周向设有多个透气孔4(也称为花管段)，所述花管段的长度与低渗煤储层1的厚度相同，采用煤矿常用的两堵一注全岩段5封孔的封孔工艺对测压钻孔C₁进行封孔，四分铝塑管3的另一端在测压钻孔C₁外预留30厘米～50厘米，并在四分铝塑管3的末端安装阀门6和量程为0～1.6MPa的压力表7，并观测压力表7的读数，一段时间以后压力表7的读数趋于稳定，记录其数据，该数据即为测压钻孔C₁周围的低渗煤储层瓦斯压力。

第二步：待测压钻孔C₁的压力表7读数稳定以后，在与测压钻孔C₁之间的距离L为6米处施工一个与测压钻孔C₁平行的瓦斯抽采钻孔，将瓦斯抽采钻孔记为C₂，瓦斯抽采钻孔C₂的孔径为94毫米，瓦斯抽采钻孔C₂内与瓦斯抽采钻孔C₂深度等长度的瓦斯抽采管8，位于瓦斯抽采钻孔C₂内的瓦斯抽采管一端管壁上沿周向设有多个透气孔4(也称为花管段)，采用煤矿常用的两堵一注全岩段5封孔的封孔工艺对瓦斯抽采钻孔C₂进行封孔，瓦斯抽采管8的另一端与瓦斯抽采泵站9相连通，瓦斯抽采管8与瓦斯抽采泵站9之间设有流量计10；用煤矿常用的两堵一注的封孔工艺对瓦斯抽采钻孔C₂进行封孔，并采用负压抽采的方式对瓦斯抽采钻孔C₂进行瓦斯抽采，本实施例中所述的抽采负压为54KPa，实时观测记录瓦斯抽采钻孔C₂的瓦斯流量读数、抽采负压读数及相同时刻测压钻孔C₁的压力表的读数变化。

第三步：根据气体渗流方程：

可知，存在启动压力梯度时的气体渗流方程为：

则启动压力梯度的计算公式为：

随着瓦斯抽采钻孔C₂不断的抽采瓦斯，瓦斯抽采钻孔C₂内瓦斯流速v和测压钻孔C₁压力表读数会不断减小，实际测量过程中原始煤储层的进口压力p₁、出口压力p₂、瓦斯抽采钻孔C₂的瓦斯流量Q的值如表1所示，得到一系列v与p₁²-p₂²的值，并对v与p₁²_-p₂²的值进行线性回归，得到如图2所示的拟合曲线。

表1原始煤储层的实测数据及计算表

然后根据实测的数据求出常数a＝4.22×10^-16，b＝0.00327，将a＝4.22×10^-16，b＝0.00327代入式③就可得到低渗原始煤储层瓦斯启动压力梯度λ＝0.46MPa/m。

其中p₀为标准大气压力，通常p₀取101325Pa；p₁为进口压力，即测压钻孔C₁处煤储层瓦斯压力，此处为测压钻孔C₁压力表读数，Pa；p₂为出口压力，即标准大气压与瓦斯抽采钻孔C₂的抽采负压的差值，Pa；v为瓦斯抽采钻孔C₂煤壁面上的瓦斯流速，m/s；此处v＝Q/πΦl，Q为瓦斯抽采钻孔C₂的瓦斯流量，Φ为瓦斯抽采钻孔C₂的孔径，本实施例中取94毫米，l为瓦斯抽采钻孔C₂见煤段的长度，本实施例中取8.6米；L为瓦斯气体流经长度，此处为测压钻孔C₁和瓦斯抽采钻孔C₂之间的距离，本实施例中取6米；μ为瓦斯气体动力粘度，通常取1.107×10^-5Pa·s；k为煤储层渗透率，m²。

其中上述公式及符号中的上标或下标仅仅作为上标或下标区别，并不代表其它实际的意义；

第四步：根据式①和式②，得到基于启动压力梯度下的煤储层渗透率k的计算公式为：

将第三步中计算得出的b＝0.00327代入式④即可得到基于启动压力梯度的低渗煤储层渗透率k＝1.37×10^-17m²。

所述进口压力p₁和流速v均为变量，在不同的时间点进口压力p₁值和流速v值均不相同，将各个时间节点的进口压力p₁值和流速v值带入式④分别求得对应的煤储层渗透率k值，并计算求出低渗原始煤储层渗透率的平均值

将计算得出的平均值作为整个矿井低渗原始煤储层渗透率的参考值。

实施例二：

水力冲孔后低渗煤储层瓦斯启动压力梯度和渗透率的现场测试方法，，包括以下步骤：

该实施例二的步骤与实例一的步骤基本相同，不再一一赘述，不同的是在实例一第二步中待瓦斯抽采钻孔C₂打钻施工完毕后，先对瓦斯抽采钻孔C₂进行水力冲孔，待水力冲孔完成后再对瓦斯抽采钻孔C₂进行瓦斯抽采。其中水力冲孔出煤量为根据瓦斯抽采钻孔C₂见煤段的长度不低于1t/m。

随着瓦斯抽采钻孔C₂不断的抽采瓦斯，瓦斯抽采钻孔C₂内瓦斯流速v和测压钻孔C₁压力表读数会不断减小，实际测量过程中原始煤储层的进口压力p₁、出口压力p₂、瓦斯抽采钻孔C₂的瓦斯流量Q的值如表2所示，得到一系列v与p₁²-p₂²的值，并对v与p₁²-p₂²的值进行线性回归，得到如图3所示的拟合曲线。

表2水力冲孔后煤储层的实测数据及计算表

然后根据实测的数据求出常数a＝1.20×10^-14，b＝0.00694，将a＝1.20×10^-14，b＝0.00694代入式③就可得到水力冲孔后低渗煤储层瓦斯启动压力梯度λ＝0.12MPa/m。

其中p₀为标准大气压力，通常p₀取101325Pa；p₁为进口压力，即测压钻孔C₁处煤储层瓦斯压力，此处为测压钻孔C₁压力表读数，Pa；p₂为出口压力，即标准大气压与瓦斯抽采钻孔C₂的抽采负压的差值，Pa；v为瓦斯抽采钻孔C₂煤壁面上的瓦斯流速，m/s；此处v＝Q/πΦl，Q为瓦斯抽采钻孔C₂的瓦斯流量，Φ为瓦斯抽采钻孔C₂的孔径，本实施例中取94毫米，l为瓦斯抽采钻孔C₂见煤段的长度，本实施例中取8.6米；L为瓦斯气体流经长度，此处为测压钻孔C₁和瓦斯抽采钻孔C₂之间的距离，本实施例中取6米；μ为瓦斯气体动力粘度，通常取1.107×10^-5Pa·s；k为煤储层渗透率，m²。

将第三步中计算得出的b＝0.00694代入式④即可得到基于启动压力梯度的低渗煤储层渗透率k＝6.24×10^-17m²。

所述进口压力p₁和流速v均为变量，在不同的时间点进口压力p₁值和流速v值均不相同，将各个时间节点的进口压力p₁值和流速v值带入式④分别求得对应的煤储层渗透率k值，并计算求出低渗原始煤储层渗透率的平均值

将计算得出的平均值作为整个矿井低渗煤储层水力冲孔后渗透率的参考值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。